[發明專利]一種基于柔性棉纖維/聚苯胺復合材料氣體傳感器的制備方法

在審

• 申請號: 202010422899.1
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111751409A
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 吳釗峰;張煒鈺;段海明
• 申請（專利權）人: 新疆大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種將一種基于柔性棉纖維/聚苯胺復合材料氣體傳感器的制備的方法。該方法中涉及的裝置是由4個傳感器和8個電極組成。為了避免傳統傳感器基底帶來的浪費，采用原位聚合法制備了棉纖維/聚苯胺復合材料。負載PANI棉條的傳感器(CSPS)和棉線的傳感器(CYPS)具有良好的氣體傳感性能。CSPS和CYPS對NH3均有很高的選擇性，對濕度有很高的抗干擾性，傳感器件重復性良好。與棉條CSPS相比，準一維棉線CYPS由于表面暴露率較高，因而具有更高的靈敏度、更快的響應速度和恢復速度。CYPS對100ppm NH3的響應從CSPS的?32.1%提高到?92.1%，恢復時間從CSPS的30.1 s縮短20.1 s。重要的是，研究賦予了棉纖維新的多樣化功能，拓展了棉纖維的應用領域。

技術領域

本發明涉及有毒氣體檢測領域，特別是涉及一種可識別性檢測有毒氣氛的方法，該方法通過將聚苯胺負載在棉纖維上來制備氣體傳感器，且不需要襯底，以實現對多種目標氣體的差異性響應。

背景技術

氣體傳感器在生產和生活中扮演著越來越重要的作用，是物聯網的核心設備之一。傳統的氣體傳感材料大多為固體粉末，需要剛性基底(陶瓷或石英)或柔性基底(塑料或橡膠)來支撐，尋找一種不需要剛性基底的氣體傳感器是一個挑戰。目前，包括陶瓷和塑料在內的大多數基底都具有不可生物降解的、不可回收的，生物相容性差，滲透性差等缺點。例如，塑料需要450年才能分解，陶瓷與塑料相比幾乎是不可降解的。而且多種傳感器和柔性顯示器的壽命平均為18個月。所以，電子應用會產生大量的垃圾，對保護環境來說是一個挑戰。此外，這些基底的低滲透性阻礙了傳感材料對目標氣體分子的有效暴露，從而限制了氣體傳感性能的提高和改善。生物材料作為自然界中最大的材料系統，不僅具有良好的生物相容性、生物降解性和通用性，而且具有可持續性和低成本等優點。生物材料的柔性和可生物降解性因其可減少環境污染，所以越來越受到人們的重視。濾紙作為植物纖維的一種產品，由于其具有易降解、高滲透、低成本等特點，已發展成為一種簡單、多用途、靈活、一次性的替代裝置系統。Liu等人通過將膠體PbS量子點分別旋轉涂覆在Al2O3、聚對苯二甲酸乙二醇酯和紙上，構建了NO2柔性氣體傳感器。結論顯示，當NO2濃度為50ppm時，紙基傳感器表現出最高的氣體傳感響應，這主要是因為較高的PbS暴露于目標氣體分子的表面。Manohar等人報告說，將利用纖維素(紙和布)上包覆單壁碳納米管(CNT)束薄膜的方法制成的化學傳感器可以在250 ppb和500 ppb時探測到氧化性氣體，如二氧化氮和氯。Swager等人還報道了，化學功能化碳納米管可在紙上快速形成傳感器陣列，并將其用于揮發性有機化合物(VOCs)的鑒別檢測。與此同時，基于紙張的CNT傳感器也被用于VOCs的選擇性檢測。然而，造紙過程中會產生大量的廢水、廢氣、固體廢物和噪音將對環境產生污染。Cho等人將石墨烯負載在蝴蝶翅膀上，制備了一種超靈敏的氣體傳感器，能夠對丙酮蒸汽進行高選擇性的檢測，包括快速響應時間(1 s)、低檢測基限(20 ppb)和優越的機械性能。然而，蝴蝶的翅膀并不容易獲得，大量蝴蝶翅膀的獲取可能會導致蝴蝶的滅絕，破壞生態系統。另一方面，制造柔性電子器件用的棉纖維因其價格低廉、加工方便、耐久性好和良好的機械性能而受到越來越多的關注。Torrisi等人通過真空過濾將氧化石墨烯(GO)分散體沉淀到棉織物上，制備出柔性導電棉織物。在此基礎上，采用180℃熱壓60min的方法對棉織物進行還原，制備柔性壓力傳感器。Han等人將CNTs負載在棉紗上，制備出NH3氣體傳感器，其檢測限為8ppm。CNTs-棉線傳感器具有均勻性、重復性和良好的抗彎曲機械性。以上研究為棉纖維作為氣體傳感襯底的探索和氣體傳感器的發展提供了啟示。

在傳感材料方面，聚苯胺(PANI)因其形態可調、制備可擴展、易摻雜、成本低等優點，也被廣泛研究作為柔性電子器件的發展方向。從結構上看，PANI的單體苯胺含有氨基，而天然纖維素含有豐富的羥基。羥基很容易與氨基形成氫鍵，使苯胺分子通過氫鍵吸附在棉纖維上。因此，本研究首次采用原位聚合的方法制備了棉纖維與PANI的多功能柔性復合材料。研究了柔性復合材料的氣體傳感性能。

發明內容